31.Датчики и методы измерения силы

Сила – векторная величина, характеризующая механическое воздействие на материальное тело со стороны других тел или полей. Сила полностью определяется, если известны ее значения направления и точка приложения.

Существуют различные виды сил: гравитационные, электромагнитные, реактивные, ядерные, слабого взаимодействия, сила инерции, сила трения и другие.

Силы необходимо измерять в широком диапазоне - от 10 Н (Ван-дер – Ваальсовы силы) до 10 Н (силы удара, тяги). С малыми силами имеют дело при научных исследованиях, при испытании точных датчиков силы в системах управления и др. Силы от 1 Н до 1 МН характерны для испытательной техники и при определении усилий в транспортных средствах, прокатных станках и другое. В некоторых областях машиностроения, сталепрокатной и аэрокосмической технике необходимо измерять силы до 50–100 МН. Погрешности измерений силы и моментов при технических измерениях составляют 1—2 %. К измерению силы сводится измерение таких физических величин, как давление, ускорение, масса, погрешность измерения которых во многих случаях не должна превышать 0,001%.

Для измерения усилий широко используют идуктивные и емкостные первичные измерительные преобразователи.

Рис. 5.1 Датчики силы с линейно регулируемым дифференциальным трансформаторным и емкостным преобразователем (1, 2, 3 — обкладки емкостного преобразователя.)

Механические усилия, действующие на различные объекты, дел бывают сосредоточенные и распределенные. Различают сосредоточенные линейно направленные усилия – силы и вращательные усилия - крутящие моменты. Распределенные усилия делят на внешние – давления и внутренние – механические напряжения, возникающие в теле исследуемого объекта. Измерение механических усилий является неотъемлемой частью многих научных исследований, технологических процессов …

Измерения усилий требуется производить в различных средах, в условиях действия разнообразных влияющих величин, в широком диапазоне температур – от –270° до 1200° С, в широком частотном спектре, который для механических напряжений и сил простирается от 0 до 100 к Гц, а для давлений ультразвуковых волн в гидроакустике до 10 Гц.

32.Датчики и методы измерения веса

   Электромеханические датчики веса. Датчики веса с  тензорезисторами.

   Датчики веса с тензорезисторами относятся к наиболее точным силоизмерительным устройствам, применяемыми для взвешивания. Весы, оснащенные этими датчиками и их погрешности отвечают диапазонам погрешностей торговых весов. Наряду с тензорезисторами в датчики весов встроены сопротивления, предназначенные для настройки мостовой схемы, что обеспечивает взаимозаменяемость датчиков, а также возможность при необходимости включать в общую схему несколько датчиков. В характеристике тензометрического датчика веса указывается величина выходного напряжения в милливольтах при номинальной нагрузке, отнесенную к 1 В напряжения питания. Обычно эта величина составляет 1-2 мВ/В. Перегрузка больше номинальной на 150 % не вызывает смещения нуля. При перегрузках до 500 % номинального значения механические повреждения также не возникают.

   Магнитоупругие датчики веса.

   Магнитоупругий эффект обусловливает в некоторых материалах (например, пермаллое), подвергаемых нагрузке, изменение их магнитной восприимчивости. Такой материал используют в качестве сердечника обмотки, полное сопротивление которой снижается при увеличении нагрузки вследствие уменьшения магнитной восприимчивости. Подобные чувствительные элементы обладают относительно высокой выходной мощностью, что позволяет использовать их выходной сигнал без усиления. Однако малый диапазон линейности характеристики недостаточен для проведения точных измерений.

   Индуктивные датчики веса.

   В индуктивных датчиках веса изменение индуктивности обмотки вызывается смещением железного сердечника под действием измеряемого усилия.

Особое значение в области весоизмерительной техники имеют следующие устройства:

а) с двумя или четырьмя изменяемыми индуктивностями (сдвоенный дроссель с втяжным или поперечным якорем);

б) с изменяющейся взаимоиндуктивностью (дифференциальный трансформатор с втяжным якорем).

   По сравнению с тензометрическими датчиками индуктивные датчики веса обладают большим выходным напряжением, меньшей чувствительностью к воздействию температуры и влажности и большими перемещениями якоря. Эти свойства позволяют использовать мягкие пружины, что в свою очередь обеспечивает возможность измерения малых усилий. Однако точность индуктивных датчиков веса ниже точности тензометрических датчиков.

   Датчики веса с устройством электромагнитной силовой компенсации.

   В этом устройстве чаша весов соединена рычагом с компенсационной катушкой, которая находится в поле постоянного магнита. Током в обмотке этой катушки управляет датчик положения, связанный с усилителем. Изменение тока в обмотке компенсационной катушки происходит до момента достижения равновесия. При изменении нагрузки в чаще весов изменяется соответственно сила тока в обмотке, являющаяся мерой веса груза.

  Весоизмерительные датчики с вибрирующей струной.

   Принцип действия предусматривает возбуждение вибрации постоянной частоты предварительно натянутой струны при помощи электромагнитной системы и передачу на струну усилия, развиваемого находящимся в грузовой чаше весов грузов при помощи рычагов.

Это усилие увеличивает натяжение струны и, как следствие,- частоту ее вибрации. Изменение частоты является мерой определяемой массы груза. Ячейка выдает дискретный сигнал. С помощью таких датчиков можно достигать высокой точности измерения веса.

   Гидравлические датчики веса.

   Сила определяется путем измерения давления, развиваемого нагрузкой на поршне или мембране гидравлической системы. Давление жидкости измеряется манометром. Конструкция вывода с резиновой мембраной исключает трение. Кроме того, датчики этого типа допускают отклонения направления действующего усилия до 4° от вертикали без дополнительных погрешностей. Прогиб резиновой мембраны при наибольшей нагрузке составляет 1-3 мм. Погрешность оценивается в ±0,2 % в пределах взвешивания. Наибольшие пределы взвешивания от 50 кг до 500 т.

   Датчики веса с применением ионизационных методов измерения.

   Взвешивание с применением радиоактивных изотопов можно осуществлять двумя методами: методом просвечивания и методом рассеяния.

   При использовании метода просвечивания измеряют поглощение излучения взвешиваемым грузом. Применение жесткого излучения позволяет считать значение массового коэффициента ослабления независимым от химического состава материала. При использовании метода рассеяния прямое излучение экранируется. Боковое излучение рассеивается материалом и направляется в детектор. Бесконтактность метода взвешивания позволяет использовать весы этого типа в качестве транспортерных или автомобильных весов, работающих в тяжелых внешних условиях, при которых весы с обычными измерительными системами быстро изнашиваются. Диапазоны погрешностей могут достигать несколько  процентов.

Инерциальный измеритель скорости

V - ускорение; V - скорость; к₁ и к₂ - коэффициент усиления; g ускорение силы тяжести; R - радиус Земли; z - сигнал внеш­ней навигационной информации